具有二维范德瓦尔斯浮动电极的兰姆波谐振器的声波工程

《Advanced Materials Interfaces》：Acoustic Wave Engineering of Lamb Wave Resonators with 2D van der Waals Floating Electrode

Lamb波谐振器通过石墨烯漂浮电极和六方氮化硼声学镜实现性能提升，仿真显示其谐振频率超7GHz，品质因子提升40%，机电耦合系数达0.18，温度稳定性系数-29.02ppm/°C，为6G cm波段射频器件提供新方案。

　　随着无线通信技术的快速发展，以及物联网（IoT）、人工智能（AI）、自动驾驶和大规模数据处理等数据密集型技术的广泛应用，无线频谱资源正变得日益紧张。频率带的拥堵趋势促使人们不断寻求高性能的声波谐振器技术，以满足新一代无线通信系统对高频、高稳定性和高可靠性的需求。特别是在6G无线通信标准的推动下，厘米波频段（cm-Wave band，7–15 GHz）成为关注的焦点，其中X频段（7–12 GHz）尤为关键。这一频段被称为Frequency Range 3（FR3），它在高频容量与良好覆盖范围之间取得了理想的平衡，尤其在7.1–8.4 GHz频段被广泛视为6G服务的首选频段。

在这一背景下，基于铝氮化物（AlN）的兰姆波谐振器（Lamb wave resonators, LWRs）因其独特的性能优势而备受关注。兰姆波谐振器结合了表面声波（SAW）和体声波（BAW）设备的优点，既具备SAW的频率可调性，又继承了BAW的高品质因数（Q因子）。这种特性使得兰姆波谐振器能够在单一芯片上实现多个谐振频率（f_r）的运行，从而显著提升射频（RF）性能。然而，传统浮电极（floating electrode, FE）结构在高频应用中存在一定的局限性，例如在高频下难以维持较高的机电耦合系数（k²）和高Q因子，这主要是由于浮电极本身的材料特性以及界面失配所导致的声波损耗。

为了解决上述问题，研究人员开始探索使用二维（2D）材料作为浮电极的可能性。二维材料如石墨烯、六方氮化硼（hBN）和过渡金属二硫化物（TMDCs）因其独特的物理和化学性质，展现出在纳米机械谐振器领域的巨大潜力。石墨烯作为一种典型的二维材料，以其原子级厚度、极低的质量密度（ρ）和极高的杨氏模量（E）著称，这些特性使其在高频应用中具有显著优势。它不仅能够减少质量负载，还能通过弱范德华相互作用实现近零界面应变，从而有效降低机械阻尼，提高声波传播速度，进而显著提升谐振频率（f_r）。此外，石墨烯的高导电性和化学稳定性也使其成为一种理想的电极材料。

然而，即便石墨烯具备诸多优点，在高频运行条件下，其性能仍面临挑战。例如，随着频率的升高，声波在材料界面处的反射和散射效应会变得更加显著，从而影响谐振器的Q因子和机电耦合效率。因此，如何在保持石墨烯优势的同时，进一步优化声波的传播路径和能量分布，成为提升兰姆波谐振器性能的关键所在。

在此背景下，研究者提出了一种创新的解决方案，即采用二维范德华异质结构作为浮电极材料。该结构由六方氮化硼（hBN）和石墨烯组成，通过在石墨烯和AlN层之间引入^hBN作为声学反射层，有效提升了声波的反射效率，从而实现对声能的更高效约束。这一设计不仅能够减少声波在界面处的损耗，还能显著增强谐振器的Q因子，使其在高频段保持较高的性能水平。

研究团队通过有限元方法（FEM）对三种不同结构的AlN基兰姆波谐振器进行了模拟分析。这三种结构分别为：传统结构（IDT/AlN/FE，Type-1），使用石墨烯作为浮电极的结构（IDT/AlN/graphene FE，Type-2），以及在石墨烯和AlN之间引入^hBN层的异质结构（IDT/^hBN/AlN/graphene FE，Type-3）。其中，Type-1结构采用铂（Pt）作为浮电极，因其高声学阻抗和良好的化学稳定性而被广泛使用。然而，Pt的高密度限制了其在高频下的应用潜力，因此研究团队在Type-2结构中将Pt替换为石墨烯，以利用其低密度和高杨氏模量的优势。而在Type-3结构中，进一步引入^hBN层作为声学镜，通过其高声学阻抗和良好的声学反射性能，有效增强声波的反射效果，从而进一步提升谐振器的性能。

在模拟过程中，研究团队采用了二维单位单元模型（2D unit cell model）对三种结构的频率响应进行了系统分析。该模型基于周期性边界条件，模拟了声波在不同材料界面处的传播行为，并通过施加正弦信号作为激励源，评估了各结构在不同AlN厚度下的性能表现。研究结果表明，使用石墨烯作为浮电极的Type-2结构在谐振频率和机电耦合系数方面均优于传统Pt浮电极结构。而Type-3结构则在Q因子和声能约束方面表现更为突出，其Q因子比Type-2结构提升了1.4倍，表明^hBN层在声学反射和能量约束方面发挥了重要作用。

除了提升谐振频率和Q因子，研究团队还特别关注了谐振器的温度稳定性问题。在高频应用中，温度变化对谐振频率的影响不容忽视，因此温度系数（TCF）成为衡量谐振器性能的重要指标。通过分析^hBN/石墨烯异质结构的温度稳定性，研究团队发现该结构在温度变化下的频率稳定性显著优于传统结构，其温度系数为?29.02 ppm/°C，显示出良好的温度适应性。这一特性对于实际应用中的设备可靠性至关重要，尤其是在需要长时间稳定运行的环境中。

此外，研究还揭示了^hBN在声学反射和能量约束方面的独特作用。^hBN具有高度各向异性以及优异的压电性能，这使得它在声波传播过程中能够有效反射声波，从而减少界面处的声波损耗。这种反射机制不仅提高了声能的利用效率，还增强了谐振器在高频段的性能表现。同时，^hBN的引入还为构建多功能的声波器件提供了新的可能性，例如在滤波器、传感器和通信设备等领域，均可以利用这一异质结构实现更高效和更稳定的声波传播。

综上所述，这项研究通过引入^hBN/石墨烯异质结构，成功克服了传统浮电极在高频兰姆波谐振器中的性能瓶颈。新型结构不仅显著提升了谐振频率和Q因子，还实现了优异的温度稳定性，为开发高性能、高可靠性的厘米波段兰姆波谐振器提供了新的思路。同时，该研究也为后续的实验验证和实际应用奠定了理论基础，展示了二维材料在声波器件领域中的广阔前景。未来，随着对声学异质结构研究的深入，有望进一步拓展其在高频通信、传感和滤波等领域的应用价值。